复杂地质条件下冷冻法加固盾构多次进洞的研究

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

上海轨交13 号线一期工程线路正线全长16.4 km，起点为华江路站，经金沙江西路、金沙江路、长寿路、天目西路、恒丰路、大田路、石门二路，到达一期工程终点南京西路站。途经上海市嘉定、普陀、闸北、静安4 个区。

其中，自然博物馆站-南京西路站区间隧道为双线单圆盾构区间，线路由自然博物馆站南工作井出发南行，过北京西路、奉贤路、南京西路、吴江路到达南京西路站北工作井。区间上、下行线全长959.88 m，上行线400 环，下行线398 环，共计798 环。区间隧道覆土最大为18.1 m，最小为16.6 m。区间长度不足600 m，不设旁通道。

本区间隧道掘进主要在第⑤1-1层黏土及第⑤1t层粉质黏土夹粉砂之中，部分涉及第⑤1-2层粉质黏土、第④层淤泥质黏土及第⑤2层黏质粉土夹粉质黏土。进洞区域分布在⑤1-1层粉质黏土和⑤2层黏质粉土夹粉质黏土，见图1。

图1 工程地质剖面示意

2 冻结法加固

本工程冻结加固不考虑冻土强度，仅考虑封水作用，冻结壁厚度设计为≥1.2 m，有效冻结深度为8.0 m。冻土平均温度为≤－8 °C。冻结孔按在工作井内利用地下连续墙布置水平冻结孔。冻结管为Φ89 mm×8 mm无缝钢管。冻结孔的布置详见图2、图3。

3 盾构进洞施工[1-8]

3.1 上行线进洞施工

上行线盾构进洞的施工工序为：在冷冻加固的同时，把盾构机推进至地下连续墙，然后等待冻结交圈，冷冻达到设计的强度要求等级后，凿除洞门，盾构机开始进洞。

图2 冻结孔平面布置

上行线盾构冷冻加固的有效深度为8 m，盾构机自身的长度为7.4 m，盾构机推进至地下连续墙的时候，盾尾基本上在冷冻加固范围内，此时在盾尾打环箍（图4）。但是盾构刚刚进入加固区，环箍大部分在原状土内（水泥系加固长度为6 m），再加上盾构底部1/4处于⑤2 层微承压水层，环箍的效果大打折扣，进洞存在一定的风险，所以要考虑打多道环箍，分多次进洞来降低风险。另外，从设计层面考虑的话，冷冻加固的长度应该把盾构机全部包住。

图3 冻结孔剖面布置

图4 盾构推进打环箍示意

由于上行线盾构机在靠上地下连续墙后，在冷冻区停靠了较长时间，主要是洞门凿除的等待时间（7 d左右），导致盾构机壳体被冻住，增大了盾构机所需总推力。如达到盾构机额定总推力还推不动的话，只能依靠在盾构机千斤顶位置额外增加千斤顶的办法来提高总推力。本项目工程所用的三菱盾构机的额定总推力约为34 000 kN，刚推进至393 环的时候，盾构机的区域油压已经全部达到最大，还是推不动。项目部考虑在盾构机下部增加4 个2 000 kN的千斤顶，使总推力达到42 000 kN，但是盾构机在冷冻加固土内依然没有动，分析原因主要有盾构机的外壳被冻住，增大了盾构启动的静摩擦力；盾构机尾部2.2 m的乌龟壳是外置式的，在加固土内也大大增加了静摩擦力。在这种情况下，只能考虑继续增加总推力，项目部又在盾构机的里面增加了2 个5 000 kN的千斤顶，使用时的真正推力为3 000 kN/个，在累计总推力达到48 000 kN的时候，盾构机移动，速度达到1 cm/min，可以正常推进。在后续的推进过程中随着盾构机外壳慢慢进入工作井，推力逐步下降。最终盾构机分3 次顺利进洞。

3.2 下行线进洞施工

下行线盾构进洞的施工工序为：在冷冻加固的同时，把盾构机停靠在加固区外面，然后等待冻结交圈，冷冻达到设计强度要求的等级后，盾构开始推进，并根据推进的进度安排人员开始凿除门洞。

下行线盾构机其他的工况跟上行线是一样的。由于盾构机先停靠在加固区外面，等待冷冻强度达到设计要求后，开始推进，这样就保证了盾构机推进的连续性，减少了盾构机在冷冻区的停靠时间，尽量避免盾构机被冻住，从而减少了进洞的风险。

在具体施工过程中，把盾构机推进至地下连续墙后，开始打环箍，养护一定时间后，再开始推进，此时，洞门已经凿除完毕。推进时遇到跟上行线一样情况，刚开始也是推不动。只能在盾构机内部额外增加1 个5 000 kN千斤顶，实际使用的推力为3 000 kN，这样在总推力为38 000 kN时，盾构机开始移动，而且在后续推进过程中，总推力没有再增加，下行线盾构也是分3 次顺利进洞。

4 结语

上海轨道交通13号线一期工程GT-10标段自然博物馆站—南京西路站盾构区间推进工程，上下行线2 台盾构机进洞都采用的是冷冻法加固，进洞时采用的施工工艺略有不同。上行线首先靠上地下连续墙，然后再推进，这种情况下增加了盾构机被冻住的可能性，大大增加了盾构总推力，施工时要预备额外的千斤顶；下行线首先在加固区外面等待，然后再连续进洞，这种情况下盾构总推力相对较小，但也存在一定的风险，如果盾构推进不顺利的，接收井的洞门已经凿除，在空气中暴露的时间过长，会大大增加漏水涌砂的风险，尤其是在地层条件比较特殊的情况下。但是，从工程安全方面考虑的话，本文还是推荐采用盾构机先靠上地下连续墙后，再开始凿除洞门的进洞工艺。另外，从本项目施工实践来看，冷冻法进洞的最大风险点就是盾构机壳体被冻住，导致盾构机总推力不足，需要额外增加千斤顶，如果增加后还是推不动的话，风险会更大，甚至需要对冷冻区进行解冻来解决，所以冷冻法进洞还必须协调好冻结时间和施工进度之间的关系。